牙合面開孔直徑對種植修復系統及周圍皮質骨影響的有限元分析

李哲 秦博文 常曉峰 孟兆理 潘峰 王淼 杜良智

目前，種植修復上部結構最常使用的固位方式有2種：螺絲固位與粘接固位。與螺絲固位相比，粘接固位具有很多優點，包括：制作簡單、美觀、咬合理想、可彌補植入位點的偏差、易獲得被動就位等［1－2］，但粘接劑殘留和拆卸復雜仍是困擾醫生的問題［3－4］。Rajan等［5］于2004年首次提出面開孔的粘接固位方式，將粘接固位和螺絲固位的優點結合起來［6］。這種方法的優勢在于：①為粘接劑提供一個排溢道，減少頸部粘結劑殘留；②可采用體外粘接，形成類似螺絲固位一體冠，清除粘接劑后將牙冠與基臺整體戴入患者口內；③為將來拆冠提供了鉆孔通道，便于準確找到中央螺絲。然而，對于這種改良的粘接固位方式，對其開孔直徑并無統一的認識。目前，技工通常將面開孔直徑設置為2 mm左右 （即略大于中央螺絲的最大外徑），有時由于手工誤差，或者植體植入角度欠佳，實際直徑可能會更大，這種做法的主要目的是確保中央螺絲可以自由進出，便于體外粘接的順利進行。然而從生物力學角度來看，不同開孔直徑會造成牙冠自身結構、牙冠與基臺接觸狀態、開孔邊緣與加力區的位置關系發生改變，這種改變是否會導致局部應力狀況發生變化尚不清楚。此外，在實際運用體外粘接時不難發現，當前開孔大小略顯 “浪費”，因為僅需保證螺絲刀的尖端恰好可以通過牙冠開孔并卡入螺絲頂端，便可實現體外粘接，而并不需要將中央螺絲徹底取出。甚至，在不使用體外粘接的情況下，開孔直徑可以進一步的縮小，使面孔道僅作為鉆孔導向孔和粘接劑排溢孔而存在，這不僅減少了頸部余留的粘接劑，為將來拆冠提供了明確的鉆孔通道，同時也最大限度的恢復了牙冠的完整性，保證了理想的美觀、強度與咬合。

本實驗采用三維有限元分析方法，目的：初步探索不同牙冠開孔直徑對種植修復系統 （牙冠、基臺、螺絲、植體）及其周圍骨組織所受最大等效應力及分布的影響，為采用面開孔的粘接固位種植支持式牙冠提供合理開孔直徑。牙冠的咬合面和冠邊緣是臨床中常出現問題的部位，本實驗將分別對其進行研究。

1 材料與方法

1.1 種植體、基臺、螺絲三維有限元模型的建立

本研究以Bego-SLine種植系統為例，根據廠商提供的種植外科手冊中關于下頜第一磨牙位點的植體建議，選用直徑4.5 mm，長度10 mm種植體（Bego，Bremen，Germany）。基臺選用：直徑 4.5 mm，高度 6 mm，穿齦2.5～4 mm成品Sub-Tec純鈦粘接基臺，基臺聚合度6°［7］。基臺上方平臺內徑（即螺絲孔道直徑）2 mm，外徑為4 mm。采用布爾運算建立與植體內螺紋完全匹配的中央螺絲，從而避免因模型設計不合理而造成應力集中，影響實驗結果。所有幾何模型數據均來自BEGO種植產品手冊，并在3D建模軟件Solid Works 2014上制作完成（SolidWorks Corp，Concord，MA）。

1.2 局部下頜骨模型的建立

將1名無口腔疾病的健康青年（男性，25歲）的CBCT重建影像以STL格式導入逆向工程軟件Geomagic Studio 2013（Raindrop，USA）中，截取左側下頜第二前磨牙至第二磨牙區域，去除牙齒，利用軟件自帶優化功能，將模型邊緣處理光滑、平整。擬種植位點皮質骨厚度為0.88～1.20 mm，松質骨骨質設定為Ⅱ類骨。

1.3 牙合面開孔牙冠模型的建立

將所用基臺STL文件送至技工室（西安，康泰利華牙科技術有限公司），導入3shape 2014 Pro軟件（3Shape，Copenhagen，Denmark）中，由專業技師設計生成符合臨床要求的牙冠，頰舌徑：8.5 mm，近遠中徑：9.0 mm，并降低牙尖高度和斜度。將生成的牙冠STL文件導入SolidWorks 2014軟件中，利用軟件自帶“拉伸切除”工具，沿種植體軸向切割，形成開孔直徑為1、2、3、4mm的牙冠。在臨床工作中，面螺絲孔通常會被樹脂封閉，以暫時維持牙冠的完整，避免異物嵌入，但這仍無法彌補牙冠結構連續性的中斷，并且因為較差的耐磨性，使用一段時間后樹脂往往會脫離咬合面，無法承擔應有的咬合力。因此考慮以上因素，本次實驗同Karl等學者［8］的研究一致，未對開孔封閉。牙冠材質選用目前臨床上廣泛應用的氧化釔部分穩定四方相多晶氧化鋯（Y-TZP）［7］。

在Solid Works2014軟件中將各部件進行裝配，利用三維有限元分析軟件（Ansys Workbench 13.0，ANSYS Inc.Canonsburg.PA）進行網格劃分（圖 1），共形成單元數956 627，節點數1 362 433（以完整牙冠為例），材料力學參數（表1）。

圖1 5種開孔直徑的三維有限元模型網格劃分頰舌向剖面圖Fig 1 Buccal-lingual section of themeshes of five FEmodelswith different diameters of screw-access hole

本實驗各部件均為各向同性的均質線彈性材料［12－14］，假設植體與骨界面之間為完全的骨結合，其界面采用Bonded接觸，即受力時各方向不產生移動［7，12］，骨段近遠中面設置為 Fix support［15］。由于在人的實際咬合過程中，牙冠的功能尖承載主要的咬合力，故本次實驗選取下頜第一磨牙的三個頰尖舌斜面為加力面［16－17］（總面積 ＝2.85 mm2），垂直向加載 200 N咬合力，斜向45°加載100 N咬合力［18］（圖 2）。利用Ansys Workbench 13.0中靜態結構（statics structure）分析模塊進行計算機有限元分析。對牙冠咬合面、牙冠邊緣、基臺、中央螺絲、種植體、植體頸部皮質骨的最大等效應力及其分布區域進行記錄。

表1 材料及組織的力學參數Tab 1 Material and tissue properties used in finite element analysis

圖2 牙冠加力面（A）及加力方式（B）示意圖Fig 2 Loading points and directions simulatingmasticatory force

2 結 果

本次實驗結果顯示：①牙冠咬合面：當開孔直徑≤3 mm時，牙冠咬合面在兩種載荷方式下最大等效應力值均基本保持穩定；當開孔直徑＞3 mm時，最大等效應力值急劇增加，在4 mm時達到峰值。牙冠咬合面等效應力分布：當開孔直徑≤3 mm時，應力主要集中在咬合力加載區域；當直徑為4 mm時，垂直載荷組的應力集中部位出現改變，由咬合力加載區變為開孔邊緣處，但斜向載荷組未見明顯改變；②中央螺絲：在垂直載荷下，當牙冠開孔直徑≤1 mm時，螺絲可維持在較低的應力水平；當直徑在1～2 mm之間時，螺絲所受最大等效應力急劇增加；當直徑≥2 mm時，螺絲所受最大等效應力始終維持在較高水平；在斜向載荷下，中央螺絲所受最大等效應力始終未見明顯改變。等效應力分布：隨著開孔直徑增大，中央螺絲的應力集中部位未見明顯改變，主要集中于第一螺紋處；③其余部件，包括牙冠邊緣、基臺、種植體、植體周圍皮質骨所受的最大等效應力均未見明顯改變，故在本實驗中均不再予以討論（表2，圖3～5）。

3 討 論

三維有限元分析方法目前已被廣泛的應用于口腔種植系統的研究設計，通過對生物力學表現初步的觀察與預測，避免將問題帶入臨床工作［19］。

表2 各部件所受最大等效應力值Tab 2 Maximum equivalent stress value（MPa）for each component

圖3 不同載荷條件下各部件所受最大等效應力變化圖Fig 3 Maximum equivalent stress change of each componentunder vertical and oblique loading

圖4 不同開孔直徑下牙冠咬合面的等效應力云圖Fig 4 Von-mises stress distribution on the occlusal surface of the crown

本研究結果同樣顯示：當牙冠開孔直徑為0～1 mm時，中央螺絲在垂直載荷下可維持較低的應力水平。因此在臨床工作中行后牙區修復時，若要采用面開孔的粘接固位方式，建議將開孔直徑控制在1 mm及以下，這可能會對中央螺絲起到一定的保護作用，同樣，這對于咬合力大、齦距低或夜磨牙的患者可能具有更大的意義。

圖5 不同牙冠開孔直徑下中央螺絲的等效應力云圖Fig 5 Von-mises stress distribution on the screws

眾所周知，骨骼是一個復雜的非線性、各向異性的活體組織、且存在動態改變［23］，種植體與骨組織之間也無法到達真正的100%骨結合［24］，因此本次研究同其他有限元研究一樣具有：線性、均勻、同質的材料設定以及種植體－骨界面間的剛性連接設定這些局限性。本實驗僅對后牙區單牙種植修復系統進行了初步分析，其種植體的三維位置、牙冠的開孔位點、負載的咬合力均處于較為理想的狀況，而對于主要承受側向力的前牙區，以及不同的種植體軸向，偏心的開孔位點等，可能都會對種植修復系統的生物力學性能產生影響。因此，未來仍需對這些因素展開進一步的研究。

4 結 論

從生物力學角度來看，在垂直力較大的后牙區行單牙種植修復時，若不考慮體外粘接，建議將面開孔直徑控制在1 mm，這不僅有利于避讓咬合功能區，也可以使中央螺絲處在較低的應力水平，同時也最大限度的保留了牙冠的完整性以及面開孔的粘接固位的主要優勢。

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